雙光柵測量微弱振動位移測量的應用論文

1、學生論文（2016屆）題 目雙光柵微弱振動位移測量應用目錄TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc26531 摘 要 PAGEREF _Toc26531 3 HYPERLINK l _Toc20706 1、課題背景 PAGEREF _Toc20706 4 HYPERLINK l _Toc8217 2、原理及設(shè)計方案 PAGEREF _Toc8217 4 HYPERLINK l _Toc20298 PAGEREF _Toc20298 4 HYPERLINK l _Toc29225 PAGEREF _Toc29225 5 HYPERLINK l _Toc9063 PAG

2、EREF _Toc9063 7 HYPERLINK l _Toc135 PAGEREF _Toc135 8 HYPERLINK l _Toc6986 3、操作及數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc6986 8 HYPERLINK l _Toc26247 PAGEREF _Toc26247 8 HYPERLINK l _Toc23666 PAGEREF _Toc23666 8 HYPERLINK l _Toc13628 PAGEREF _Toc13628 8 HYPERLINK l _Toc30444 PAGEREF _Toc30444 8 HYPERLINK l _Toc6818 PAGEREF

3、 _Toc6818 8 HYPERLINK l _Toc20066 PAGEREF _Toc20066 8 HYPERLINK l _Toc2796 PAGEREF _Toc2796 8 HYPERLINK l _Toc28835 3.3.2作出微小物體質(zhì)量與T/2時間內(nèi)完整波數(shù)的關(guān)系曲線。 PAGEREF _Toc28835 9 HYPERLINK l _Toc17773 PAGEREF _Toc17773 9 HYPERLINK l _Toc28013 PAGEREF _Toc28013 10 HYPERLINK l _Toc6593 4、誤差分析及改進措施 PAGEREF _Toc659

4、3 10 HYPERLINK l _Toc8574 PAGEREF _Toc8574 10 HYPERLINK l _Toc14093 PAGEREF _Toc14093 10 HYPERLINK l _Toc14136 PAGEREF _Toc14136 10 HYPERLINK l _Toc24226 PAGEREF _Toc24226 11 HYPERLINK l _Toc29018 5、總結(jié) PAGEREF _Toc29018 11 HYPERLINK l _Toc23612 參考文獻： PAGEREF _Toc23612 11摘 要雙光柵微弱震動位移的測量是一種把機械位移信號轉(zhuǎn)化為光

5、電信號的手段，光柵式位移測量技術(shù)在長度與角度的數(shù)字化測量、運動比較測量、數(shù)控機床、應力分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。雙光柵微弱震動位移的測量也可以應用于力學實驗中的音叉振動分析、微弱振幅測量和光拍研究等。本論文主要利用小質(zhì)量物體對光拍波數(shù)的影響，作出相應的關(guān)系曲線，再由未知小質(zhì)量物體產(chǎn)生的光拍波數(shù)來反映和估計小質(zhì)量物體的質(zhì)量。關(guān)鍵字：光柵、微弱震動、光拍1、課題背景1842年的一天，多普勒路過鐵路交叉處時，恰逢一列火車從他身旁馳過。他發(fā)現(xiàn)火車從遠而近時汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠時汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。同年他在文章 On the Colored Light of Double Stars

6、 提出“多普勒效應”(Doppler Effect) 。多普勒效應：在電磁波的傳播過程中，由于光源和接收器之間相對運動使得接收器收到的光波頻率不同于光源發(fā)出的光波頻率的現(xiàn)象。由此產(chǎn)生的頻率變化稱為多普勒頻移。多普勒頻移有著廣泛應用，如醫(yī)學上的超聲診斷儀，測量海水各層深度的海流速度和方向、衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)、音樂中樂器的調(diào)音等。拍：根據(jù)振動迭加原理，兩列速度相同、振動面相同、頻差較小而同方向傳播的簡諧波的迭加即形成拍。由于光的頻率很高，所以無法通過光電探測器觀察到。即使是目前最好的光電探測器，其響應時間也遠大于光波的周期。而拍頻較低，故可讓兩個頻率相差不大的光波疊加產(chǎn)生拍，從而達到可以觀測的目的。

7、2、原理及設(shè)計方案如果移動光柵相對靜止光柵運動，使激光束通過這樣的雙光柵便產(chǎn)生光的多普勒現(xiàn)象，把頻移和非頻移的兩束光直接平行迭加可獲得光拍，再通過光的平方律檢波器檢測，取出差頻訊號，可以精確測定微弱振動的位移。當激光平面波垂直入射到位相光柵時,由于位相光柵上不同的光密度和光疏媒質(zhì)部分對光波的位相延遲作用,使入射的平面波變成出射的摺曲波陣面,見圖1,由于衍射干涉作用,在遠場,我們可以用大家熟知的光柵方程即(1)式來表示: ( 1 )(式中為光柵常數(shù), 為衍射角, 為光波波長)然而,如果由于光柵在y方向以速度v移動著,則出射波陣面也以速度v在y方向,從而,在不同時刻,對應于同一級的衍射光線,它的波

8、陣面上出發(fā)點,在y方向也有一個vt的位移量,見圖2。這個位移量相應于光波位相的變化量為。 ( 2 )圖2.不同時刻，動光柵的同級衍射光線發(fā)生的位移（1）代入（2）： = ( 3 )式中?，F(xiàn)把光波寫成如下形式: ( 4 )顯然可見,運動的位相光柵的n級衍射光波,相對于靜止的位相光柵有一個的多普勒頻移量,如圖3所示。設(shè) （5）光頻率甚高，為了要從光頻中檢測出多普勒頻移量,必須采用拍的方法。即要把已頻移的和未頻移的光束互相平行迭加，以形成光拍。本實驗形成光拍的方法是采用兩片完全相同的光柵平行緊貼，一片B靜止，另一片A相對移動。激光通過光柵后所形成的衍射光，即為兩種以上光束的平行迭加。如圖4所示，光柵

9、A按速度VA移動起頻移作用，而光柵B靜止不動只起衍射作用。故通過雙光柵后出射的衍射光包含了兩種以上不同頻率而又平行的光束，由于雙光柵緊貼，激光束具有一定尺度故該光束能平行迭加，這樣直接而又簡單地形成了光拍。當此光拍訊號進入光電檢測器，由于檢測器的平方律檢波性質(zhì)，其輸出光電流可由下述關(guān)系求得：光束1：；光束2：，光電流： ( 6 )因光波頻率甚高，不能為光電檢測器反應，所以光電檢測器只能反應（6）式中第三項拍頻訊號：，光拍如圖5所示，光電檢測器能測到的光拍訊號的頻率為拍頻 ( 7 )其中為光柵密度，本實驗條/mm圖6.光拍法測量振幅，取T/2的光拍波形計數(shù)從（7）式可知，與光頻率無關(guān)，且當光柵密

10、度為常數(shù)時，只正比于光柵移動速度,如果把光柵粘在音叉上，則是周期性變化的。所以光拍信號頻率也是隨時間而變化的，微弱振動的位移振幅為： （8）（8）式中T為音叉振動周期，可直接在示波器的熒光屏上計算（數(shù)出）波形數(shù)而得到，因為表示T/2內(nèi)的波的個數(shù)，其不足一個完整波形（波群的兩端）的首數(shù)及尾數(shù)，可按反正弦函數(shù)折算為波形的分數(shù)部分，即波形數(shù)=整數(shù)波形數(shù)+分數(shù)波形數(shù) （9）式中，a,b為波群的首尾幅度和該處完整波形的振幅之比。波群指T/2內(nèi)的波形。分數(shù)波形數(shù)包括滿1/2個波形為0.5滿1/4個波形為0.25。波形計數(shù)以如圖6為例，在T/2內(nèi)，整數(shù)波形為4，首數(shù)部分已滿1/4個波形，尾數(shù)部分b=h/H=

11、0.6/1=0.6,代入(9)式即可得光拍波形數(shù)。雙光柵微弱振動測量儀，面板結(jié)構(gòu)圖7.雙光柵微弱振動測量儀，面板結(jié)構(gòu)1光電池升降調(diào)節(jié)手輪，2光電池座，在頂部有光電池盒，盒前有一小孔光闌，3電源開關(guān)，4音叉座，5音叉，6動光柵（粘在音叉上的光柵），7靜光柵（固定在調(diào)節(jié)架上），8靜光柵調(diào)節(jié)架，9半導體激光器，10激光器升降調(diào)節(jié)手輪，11調(diào)節(jié)架左右調(diào)節(jié)止緊螺釘，12激光器輸出功率調(diào)節(jié)，13耳機插孔，14音量調(diào)節(jié)，15信號發(fā)生器輸出功率調(diào)節(jié)，16信號發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)，17靜光柵調(diào)節(jié)架升降調(diào)節(jié)手輪，18驅(qū)動音叉用的蜂鳴器，19蜂鳴器電源插孔，20頻率顯示窗口，21三個信號輸出插口，Y1拍頻信號，Y2音叉驅(qū)

12、動信號，X為示波器提供“外觸發(fā)”掃描信號，可使示波器上的波形穩(wěn)定。3、操作及數(shù)據(jù)處理連接將雙蹤示波器的Y1、Y2、X外觸發(fā)輸入端接至雙光柵微弱振動測量儀的Y1、Y2、X輸出插座上,開啟各自的電源。操作幾何光路調(diào)整調(diào)整激光器出射激光與導軌平行，鎖緊激光器。雙光柵調(diào)整靜光柵與動光柵接近（但不可相碰?。┯靡黄练庞诠怆姵丶芴?，慢慢轉(zhuǎn)動靜光柵架，務必仔細觀察調(diào)節(jié)，使得二個光束盡可能重合。去掉觀察屏，調(diào)節(jié)光電池高度，讓某一束光進入光電池。輕輕敲擊音叉，調(diào)節(jié)示波器，配合調(diào)節(jié)激光器輸出功率，應看到很光滑的拍頻波。若光拍不夠光滑，需進一步細調(diào)靜光柵與動光柵平行。音叉諧振調(diào)節(jié)固定功率，調(diào)節(jié)頻率旋鈕,使音叉諧振(此

13、時光拍波形數(shù)最多)。保持功率與頻率不變，改變音叉的有效質(zhì)量（即將不同質(zhì)量的橡皮泥粘在音叉的同一個位置），記錄不同質(zhì)量微小物體對應的波數(shù)。如下表：橡皮泥質(zhì)量（g）波數(shù)（個）橡皮泥質(zhì)量（g）待測波數(shù)（個）作出微小物體質(zhì)量與T/2時間內(nèi)波數(shù)的關(guān)系曲線。由3.3.1所得數(shù)據(jù)，研究音叉質(zhì)量與T/2時間內(nèi)波數(shù)或微弱震動振幅之間的關(guān)系，并作出相應的曲線。如圖8：圖8.微小物體質(zhì)量與T/2時間內(nèi)完整波數(shù)的關(guān)系曲線由所得曲線確定位置微小物體的質(zhì)量將為之質(zhì)量的小物體固定于音叉上與（4）相同的位置，讀出示波器上T/2時間內(nèi)完整波數(shù)，圖曲線相對應，取其坐標值即得微小物體的質(zhì)量。如圖9：由1/10000天平測得待測樣品

14、的質(zhì)量為0.0171g，再由3.3.3讀出樣品的質(zhì)量為0.0175g，由此可得百分誤差為： 4、誤差分析及改進措施橡皮泥置于空氣中會失去水分，從而使質(zhì)量減小，所以天平稱得的質(zhì)量可能會比實驗時的質(zhì)量偏小，實驗應盡量采用質(zhì)量不受外界環(huán)境影響的小物體進行實驗。實驗中發(fā)現(xiàn)T/2時間內(nèi)完整波數(shù)或微弱震動振幅對頻率十分敏感，在0.1Hz的范圍內(nèi)，T/2時間內(nèi)完整波數(shù)或微弱震動振幅變化很大，而儀器的精度只有0.1Hz，并且由于儀器故障，頻率會自動增大，這給實驗帶來很大誤差。所以如果能提供更加精確和穩(wěn)定的頻率計，會是實驗結(jié)果更加準確。由于音叉振動時有伴隨轉(zhuǎn)動效應，該效應使振動光柵衍射光在平衡位置附近作微小振動, 光電檢測器進光量隨時間正弦變化，從而導致了衍射光斑邊緣的強度變化。當使用雙光柵形成光拍時, 該正弦變化對光拍信號調(diào)幅，使光拍信號出現(xiàn)了包絡(luò)。包絡(luò)的出現(xiàn)會給讀取T/2時間內(nèi)完整波數(shù)帶來很大困難，在振動光柵與靜止光柵之間加狹縫，只使振動光柵衍射光的中央部分通過，由于光斑半徑很小，狹縫需要做到很窄，當狹縫位置合適時，光斑邊緣強度變化的部分可以得到最大程度的抑制。這樣，通過振動光柵和狹縫后衍射光各部分強度都是穩(wěn)定的,這強度穩(wěn)定的衍射光再通過靜止光柵形成光拍，可以基本消除光拍信號中的包絡(luò)，從而提高測量的精度。在讀取T/2時間內(nèi)完整波數(shù)和作圖時會產(chǎn)生人為誤差。5、總結(jié)這個探究性實驗是